Besondere Lernleistung

Besondere Lernleistung
Thema: „Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden“
von Florian Kantelberg und Michael Winkler
Gliederung:
1.
Einleitung
2.
Lichtelektrischer Effekt - Bestimmung des Plankschen Wirkungsquantums
2.1
Versuchsaufbau
2.2
Durchführung
2.3
Messwerte
2.4
Funktionsweise der Gegenfeldmethode
2.5
Auswertung
3.
Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden
3.1
Geschichte der Leuchtdioden
3.2
Aufbau von Leuchtdioden
3.3
Wirkungsweise
3.4
Experiment mit eigener Experimentiervorrichtung
3.4.1
Kennlinien und Frequenzen der Leuchtdioden
3.4.2
Aufbau
3.4.3
Durchführung
3.4.4
Auswertung
3.5
Vorteile und Nachteile von Leuchtdioden
4.
Anhang
4.1
Quellen
4.2
Bilder
4.3
Selbstständigkeitserklärung
1
1. Einleitung
Nachdem Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts mit den ersten Erkenntnissen in der
Quantenphysik und der Aufstellung der Relativitätstheorie die moderne Physik begründet
wurde, entwickelte sich diese stetig weiter und ist bis heute noch ein Feld in den
Wissenschaften, in dem es noch viele ungeklärte Sachverhalte gibt.
Wir haben uns mit einem Effekt beschäftigt, der zwar schon im Jahre 1907 von H.J. Round
entdeckt wurde, aber trotz seiner aus heutiger Sicht großen Bedeutung erst in den 50er
Jahren des 20sten Jahrhunderts genauer untersucht wurde, der Umkehrung des
lichtelektrischen Effekts in Halbleitermaterialien. Diese Forschung führte zur Entwicklung
hocheffizienter Leuchtdioden. Spätestens im Jahre 1962 begann mit der ersten
kommerziellen LED (Light Emitting Diode) von General Electric der Siegeszug der
Leuchtdioden.
2
2. Lichtelektrischer Effekt –
Bestimmung des Plankschen Wirkungsquantums
2.1
Versuchsaufbau
2.2
Durchführung
2.3
Messwerte
2.4
Funktionsweise der Gegenfeldmethode
2.5
Auswertung
3
2.1 Versuchsaufbau
Strahlengang:
Bild 2.1.2
Schaltplan:
4
2.2 Durchführung
1. Mit Hilfe des Spiegels in der Kompaktvorrichtung wird eine Spektrallinie scharf auf der
Fotozelle abgebildet.
2. Der Widerstand des Potentiometers wird so geändert, dass am Spannungsmessgerät
keine Spannung mehr angezeigt wird. Nun wird der Wert für die Stromstärke abgelesen.
3. Nun wird der Widerstand so geändert, dass die Stromstärke am Messgerät 0 wird und die
Spannung abgelesen.
4. Wiederholung mit einer anderen Farbe.
5
2.3 Messwerte
Quecksilber (Hg) Spektrallinien1
Farbe
λ in nm
Intensität
f=c/ λ in 1014 Hz
violett
404,66
stark
7,41
blau
435,84
stark
6,88
grün
546,07
sehr stark
5,49
gelb
576,96
sehr stark
5,20
gelbes Spektral
grünes Spektral
f in 10 Hz
5,2
5,49
U0 (I=0) in V
I0 (U=0) in 10-11 A
0,48
0,6
14
2,7
(siehe auch: Bilder 2.3.1 - 2.3.5)
5,5
1
Werte nach: https://www.tu-freiberg.de/~exphys/education/prakg/O45-BrechBeug.pdf?
PHPSESSID=af213d5f7c5f5698c189fa6aef2962b2 (Seite 8/8)
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2.4 Funktionsweise der Gegenfeldmethode
Bei dem Zusammenstoß von Photonen des Lichts mit den Elektronen in der Fotozelle,
übertragen diese ihre ganze Energie auf die Elektronen, die dadurch kinetische Energie
erhalten. Da die Elektronen dadurch genug Energie besitzen, um ihre Atome zu verlassen,
wird ein Strom induziert. Da wir die Energie eines Elektrons des Stromflusses mit E=q*U
ausrechnen können, müssen wir die Spannung U ermitteln. Dafür gibt es unterschiedliche
Methoden, wir verwenden hierfür die Gegenfeldmethode.
Dabei wird ein elektrisches Feld dem des Fotostroms entgegengesetzt. Durch ein
Potentiometer kann die Stärke des Feldes reguliert werden. Das Ziel dieser Methode ist ein
Feld zu erzeugen, das im Betrag dem des Fotostroms entspricht. In diesem Zustand kommt
der Stromfluss zum Erliegen, was wir über den Messverstärker ermitteln können. Allerdings
liefert uns der Stromfluss nicht die Energie der Photonen, sondern nur die Intensität des
Lichts:
I=q/t q=n*e n…Anzahl der Elektronen/Photonen
n/t=I/e
Um die Energie zu ermitteln, muss mittels der Gegenspannung der Fotostrom kompensiert
werden. Man regelt die Stärke des Feldes mit Hilfe des Potentiometers so, dass I=0A wird,
(siehe Bild 2.2.1), dann ist die Spannung der beiden Felder gleich. Über das
Spannungsmessgerät wird nun die gemeinsame Spannung abgelesen. Dies sollte man für
das Licht verschiedener Farben (Frequenzen) wiederholen.
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2.5 Auswertung
Die Energie der Photonen und Elektronen lässt sich mit den Messwerten errechnen und
durch Gleichsetzen die Formel nach dem Planck’schem Wirkungsquantum umstellen.
Dieses Ergebnis stellt eine gute Nährung an hL=6,626*10-34 Js dar.
Fehlerbetrachtung:
Systematische Fehler: - Beleuchtung der Photozelle mit einem Spektrum
- Vernachlässigung des zweiten, stark ausgeprägten Gelbspektrals
Zufälliger Fehler:
- weitere Lichtquellen (Sonne, Raumbeleuchtung)
- ungenaue Einstellung der Nullwerte (I=0)
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3. Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden
3.1
Geschichte der Leuchtdioden
3.2
Aufbau von Leuchtdioden
3.3
Wirkungsweise
3.4
Experiment mit eigener Experimentiervorrichtung
3.4.1
Kennlinien und Frequenzen der Leuchtdioden
3.4.2
Aufbau
3.4.3
Durchführung
3.4.4
Auswertung
3.5
Vorteile und Nachteile von Leuchtdioden
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3.1 Geschichte der Leuchtdioden
Im Jahre 1907 wurde die Lichterzeugung an Festkörpern durch elektrische Anregung
beobachtet. Allerdings wurde dieses Phänomen nur bei Siliciumcarbid mithilfe von
Radiodetektoren erforscht und deshalb nicht weiter beachtet. Die Lichtemission wurde 1921
erst wieder von O.V. Lossew entdeckt. Dieser untersuchte das Phänomen genauer und fand
heraus, dass man die neuartigen Lichtquellen mit einem Drehspiegel kombiniert zur
Nachrichtenübertragung nutzen kann.
1935 fand G. Destriau an Zinksulfid einen ähnlichen Leuchteffekt.
Erst 1951 konnte die Lichtemission in der Theorie halbwegs vernünftig mit Hilfe der
Erkenntnisse der Halbleiterphysik erklärt werden. In den Jahren 1952 bis 1961 versuchten
Wissenschaftler den Destriau-Effekt bei flachen Bildschirmen zu nutzen und somit die
Kathodenstrahlröhren zu ersetzen.
1962 gelang es einen Mischkristall aus Galliumarsenid und Galliumphosphid für die LEDTechnologie herzustellen und damit begann die LED- Entwicklung erst richtig.
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3.2 Aufbau von Leuchtdioden
Der LED-Chip besteht immer aus
verschiedenen dotierten
Halbleiterschichten, einer n-dotierten
Grundschicht und einer p-dotierten
Schicht, die aber vergleichsweise sehr
viel dünner ist als die n-Schicht.
Bild 3.2.1 Aufbau eines
möglichen LED-Chips
Bild 3.2.2 Schematischer Aufbau einer LED
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3.3. Wirkungsweise
Elektronen wandern bei Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung vom n-Leiter zum pLeiter. Dabei werden die Elektronenlöcher besetzt und die Dotierungselektronen erhöhen
das Energieniveau der Dotierungsatome. Um auf den Grundzustand zurückzufallen wird ein
Photon abgegeben. Durch die sehr dünne Schicht gelangt dieses Lichtquant auch aus der
Oberfläche heraus. Man sieht die LED leuchten. Die Farbe des Lichtes hängt von der
Dotierung ab. Genauer davon, wie viel Energie das Dotierungsatom wieder in Lichtenergie
umwandeln muss, um in seinen Grundzustand zurück zu gelangen.
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3.4 Experiment mit eigener Experimentiervorrichtung
3.4.1 Frequenzen und Kennlinien der Leuchtdioden
Um genaue Berechnungen durchzuführen, mussten wir als erstes die Wellenlänge/Frequenz
der Dioden bestimmen. Auf Grund der geringen Leuchtkraft erwies sich dies mit dem
Verfahren aus dem Physikunterricht der Sekundarstufe I als schwierig. Also wollten wir die
Werte mit Hilfe von einem Spektroskop bestimmen. Nach kurzer Suche fanden wir einen
günstigen Bausatz2, der uns die Lösung des Problems versprach.
Das Spektroskop benötigt nur ein Beugungsgitter zur Spaltung des Lichts in die einzelnen
Spektrallinien. Durch die Beugung kommt es zu einer optischen Täuschung, die das
verschiedenfarbige Licht durch unterschiedliche Teile der Skala scheinen lässt.
Beugungsgitter
Skala
Bild 3.4.1.23
Mit dem Spektroskop bestimmten wir die Wellenlänge des Lichts der Leuchtdiode:
Farbe
λ in nm
f in 1014 Hz
2
3
rot
625
4,8
gelb/orange
595
5,0
grün
500
6,0
blau
460
6,5
http://www.experimentalchemie.de/versuch-050.htm
Bild von: http://www.experimentalchemie.de/versuch-050.htm
13
Die Schaltung zur Bestimmung von Kennlinien bei Dioden:
Bild 3.4.1.24
U in V
0,5
1,0
1,5
1,6
1,7
1,75
1,8
2
2,25
2,5
2,75
Irot in mA
0,05
0,1
0,15
0,2
0,6
1,25
2,3
-
Igelb in mA
0,05
0,1
0,15
0,15
0,5
1,5
2,7
-
Igrün in mA
0,05
0,1
0,15
0,175
0,2
0,25
0,5
3,0
Iblau in mA
0,05
0,1
0,15
0,175
0,2
0,225
1,5
2,75
I in m A
3
2,75
2,5
2,25
2
1,75
1,5
Blau
Rot
Gelb
1,25
Grün
1
0,75
0,5
0,25
0
0
4
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
1,75
2
2,25
2,5
2,75
3 U in V
Bild von: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/versuche/15led/led.htm
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3.4.2 Aufbau
Zur vereinfachten Arbeit haben wir eine komplexe Vorrichtung für die Leuchtdioden gebaut.
Diese kann genutzt werden, um eventuelle Fehler auszuschließen, die durch das
Einspannen der einzelnen LEDs entstehen können. Es muss nur noch die Verbindung zum
Pluspol der Spannungsquelle umgesteckt werden, um die LED zu wechseln. Auch ein
Schutzwiderstand von 100Ω ist enthalten, um Schäden zu vermeiden. Es sollte trotzdem
nicht mit Spannungen von über 3-4V gearbeitet werden, da dies die Lebensdauer erheblich
senken kann. Die LEDs, die wir verwendet haben, besitzen einen klaren Kopf, um besser zu
verdeutlichen, dass die Farben durch den inneren lichtelektrischen Effekt zustande kommen.
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3.4.3 Durchführung
Der regelbare Widerstand von 220 Ω wird auf den maximalen Wert geregelt und die zu
untersuchende LED mit dem Schleifkontakt des Potentiometers verbunden. Danach wird
eine Spannung von 3V angelegt und der regelbare Widerstand für den Arbeitskreis
verringert. Der am Spannungsmessgerät angezeigte Wert steigt und ab einem bestimmten
Punkt beginnt die LED zu leuchten, dieser Punkt wird gemessen. Dies wird für alle LEDs
wiederholt (siehe auch Bilder 3.4.3.1 - 3.4.3.3).
Farbe
UG in V
rot
1,4
gelb
1,5
grün
1,9
blau
2,1
16
3.4.4 Auswertung
Wenn wir die in Punkt 2.5 hergeleitete Gleichung einsetzen, erhalten wir wieder einen Wert
für das Plancksche Wirkungsquantum, der dem Literaturwert fasst genau entspricht
Damit ist nachgewiesen, dass es sich hierbei um eine weitere Wechselwirkung zwischen den
Hüllelektronen und Photonen handelt und die Farbe des Lichtes nur vom stofflichen Aufbau
der Leuchtdiode abhängt.
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3.5 Vor- und Nachteile von LEDs
Vorteile:
- kein Quecksilber enthalten
- geringe Wärmeentwicklung
- geringer Energieverbrauch
- UV-Strahlung kann ausgeschlossen werden
- kein Hohlkörper, der implodieren kann
- unanfällig gegenüber äußeren Einflüssen
Nachteile:
- Schwermetalle sind enthalten
- geringe einzelne Leuchtkraft
- hohe Kosten bei Platinenentwicklung
- noch sehr hoher Energiebedarf bei der Herstellung
- können nicht an Netzspannung angeschlossen werden
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4. Anhang
4.1
Quellen
4.2
Bilder
4.3
Selbstständigkeitserklärung
19
4.1 Quellen
Metzler Physik, herausgegeben von Joachim Grehn und Joachim Krause, erschienen im
Schroedel Verlag
Formeln und Tabellen, paetec Verlag
http://www.led-info.de/
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/versuche/15led/led.htm
http://www.experimentalchemie.de/versuch-050.htm
http://www.phyta.net/spektral_lines1.htm
20
4.2 Bilder
Bild 2.1.2 Strahlengang
Bild 2.1.1 Grundaufbau
Bild 2.2.1 Verstellen des Potentiometerwertes Bild 2.3.1 Ugelb=0,48V
Bild 2.3.2 Igelb=2,7*10-11A
Bild 2.3.3 Igrün=5,5*10-11A
21
Bild 2.3.4 Ugelb=0,48V
Bild 2.3.5 Igelb=2,7*10-11A
Bild 3.4.1.2
Bild 3.4.3.1 grüne LED
Bild 3.4.3.2 blaue LED
Bild 3.4.3.3 gelbe LED (unten links)
Bild 3.2.2 Schematischer
Aufbau einer LED
Bild 3.3.1 Beispiel für den Aufbau eines
möglichen LED-Chips
22
4.3 Selbstständigkeitserklärung
Wir versichern, dass wir zur Ausarbeitung dieser besonderen Lernleistung keine weiteren als
die oben genannten Quellen verwendet haben.
Jessen, den 02.03.2009
Florian Kantelberg
Michael Winkler
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